Planqc und D-Fine gewinnen Auftrag der DLR Quantencomputing-Initiative Neues Material aus dem Quantencomputer

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Die DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) hat die Unternehmensberatung D-Fine und den Quantencomputer-Hersteller Planqc damit beauftragt, die Entwicklung neuer Materialien voranzutreiben.

Das Vorhaben ist in den Zusammenhang mit dem DLR QCI-Projekt „Quanticom“ zu sehen, in dem man auf die Stärken von Quantencomputern setzt, insbesondere um die Simulationen hochkomplexer Materialien zu verbessern. Dadurch sollen industrierelevante Lösungen gefunden werden.

Die Entwicklung neuer Materialien ist ein entscheidender Faktor für Innovationen in Industrie und Wissenschaft. Doch herkömmliche Methoden zur Simulation hochkomplexer Materialeigenschaften stoßen zunehmend an ihre Grenzen.

Hier setzt das DLR QCI-Projekt Quanticom unter der Leitung des DLR-Instituts für Werkstoff-Forschung und des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum an. Es nutzt Quantencomputer, um Entwicklungszeiten drastisch zu reduzieren und so die Identifikation neuer Materialien zu beschleunigen. Von den neuen Methoden sollen Materialwissenschaft, Werkstofftechnik und Industrien, wie die Luft- und Raumfahrt oder die Automobilindustrie, profitieren.

Projekt und weitere Expertise gewonnen

In den Ausschreibungen für Quanticom | Qalphad und Quantico | Amqs suchte DLR QCI nach Auftragnehmern, um die Weiterentwicklung der Quantencomputer-gestützten Materialsimulation zu unterstützen. Den Zuschlag erhielten nun in beiden Fällen D-Fine und Planqc. Zur Umsetzung der Projekte sicherten sich diese die zusätzliche Expertise des Simulationsspezialisten Exomatter und die fachliche Beratung durch Europas führenden Luft- und Raumfahrtkonzern Airbus.

Alexander Glätzle, CEO und Co-Founder von Planqc, kommentiert: „Ob für Energiespeicher, Luft- und Raumfahrt oder Hochleistungswerkstoffe: Die beschleunigte Entwicklung neuer Materialien mithilfe von Quantencomputern wird eine Vielzahl von Innovationen auslösen, die zu Nachhaltigkeit und Wachstum beitragen.“

Gemeinsam wird nun an praxistauglichen Lösungen für industrielle Anwendungen gearbeitet, darunter die Entwicklung von leichteren Materialien für die Luft- und Raumfahrt, um Treibstoffverbrauch zu reduzieren, aber auch von besonders widerstandsfähigen Materialien, die die Langlebigkeit von Flugzeugbauteilen erhöhen. Sabine Matysik, Expertin für Quantumcomputing und Modellierung bei D-Fine, erläutert: „Die Nutzung von Quantencomputern im Projekt Quanticom bietet uns die einzigartige Gelegenheit, komplexe Materialsimulationen durchzuführen, die nicht nur die Wissenschaft weiterbringen, sondern auch echte, praxisnahe Lösungen für die Industrie bieten.“

Quanticom | Qalphad

Im Rahmen von Quanticom | Qalphad wird erforscht, wie sich Materialeigenschaften durch Quantensimulationen präziser vorhersagen lassen. Qalphad steht für Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry und ist ein Methode, die in der Materialwissenschaft eingesetzt wird, um die thermodynamischen Eigenschaften und das Phasenverhalten von Materialsystemen aus mehreren Komponenten vorherzusagen.

Bei stark korrelierten Materialien – also solchen, bei denen Elektronen stark miteinander interagieren – stößt die klassische Berechnung der Eingabedaten für die Qalphad-Methode jedoch an ihre Grenzen. Hier kommen Quantencomputer ins Spiel: Diese haben im Prinzip einen exponentiellen Vorteil bei der Simulation solch stark korrelierter Materialien.

Zwar sind derzeit verfügbare Quantencomputer noch nicht leistungsfähig genug, um realistische Materialien vollständig zu simulieren. Doch die Projektbeteiligten setzen auf so genannte Quantum-Embedding-Methoden, um die Stärken von Quantencomputern gezielt nutzen zu können. Dabei wird das zu simulierende Materialsystem in zwei Bereiche unterteilt:.

In aktiven Bereichen (active spaces) befinden sich die stark korrelierten Elektronen, deren Verhalten auf einem Quantencomputer berechnet wird, der hier sein volles Potenzial entfalten kann. Der Rest des Systems, also die Umgebung, wird weiterhin mit klassischen Computern mit ausreichender Genauigkeit berechnet.

Ein konkreter industrierelevanter Anwendungsfall dafür ist die Optimierung von Leichtbaulegierungen für Strukturbauteile. In der Luft- und Raumfahrt ist das Gewicht der Bauteile von entscheidender Bedeutung. Leichtbaulegierungen, die hohe Festigkeit bei geringem Gewicht bieten, spielen eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung des Treibstoffverbrauchs.

Quanticom | Amqs

Im Rahmen von Quanticom | Amqs wird untersucht, wie Quantencomputer die Wechselwirkung von Wasser und Wasserstoff mit metallischen Oberflächen besser simulieren können. Die Forschung soll dazu dienen, ein besseres Verständnis aufzubauen, um zur Entwicklung neuer metallischer Materialien beizutragen. Zwei zentrale Anwendungen stehen dabei im Fokus: die Verbesserung der Wasserstoffspeicherung für neue Flugzeugantriebskonzepte sowie der Korrosionsschutz für Luft- und Raumfahrtbauteile.

Wasser dient als vielseitiges Lösungsmittel, kann aber die Haltbarkeit von Materialien beeinträchtigen. Wasserstoff wiedeum ist ein zentraler Energieträger und wird in vielen chemischen Prozessen eingesetzt, kann jedoch Materialien durch Wasserstoffversprödung schwächen. Das Projekt will herausfinden, wie Schutzbeschichtungen oder Oberflächenmodifikationen die Beständigkeit von Bauteilen verbessern können, die in der Luft- und Raumfahrt extremen Umwelteinflüssen und chemischen Prozessen standhalten müssen.

Um die Eigenschaften von Metallen und die Interaktion von kleinen Molekülen an und in ihrer Oberfläche zu simulieren, müssen zudem periodische Systeme untersucht werden. Diese können unterschiedlich groß und rechnerisch anspruchsvoll sein. Auch hier stößt die klassische Simulation von stark korrelierten Systemen an Grenzen, die mithilfe von Quantencomputern überwunden werden können.

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